6. Радиоволновые уровнемеры

Рассмотренные выше уровнемеры можно считать уровнемерами общепромышленного назначения, так как они могут быть использованы в подавляющем большинстве случаев, требующих измерения уровня в различных отраслях промышленности. Существуют, однако, технологические процессы, требующие измерения уровня, но характеризующиеся тяжелыми условиями работы уровнемеров. К числу таких процессов относятся, например, процессы металлургического производства, в которых требуется измерение уровня жидкого металла. Особые условия работы уровнемеров обусловлены высокой (до 2000°С) температурой жидкого металла, агрессивностью жидкого металла и шлака, разнообразием конструкций объектов измерения, требуемой высокой точностью измерения и надежностью работы.

Среди рассматриваемых типов уровнемеров для этой цели возможно применение радиоизотопных уровнемеров, однако их эксплуатация затруднительна из-за необходимости принятия специальных мер биологической защиты и сложности обслуживания.

Перспективным методом измерения уровня жидких металлов является радиоволновой метод. Радиоволновыми называются уровнемеры, основанные на зависимости параметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости.

К радиоволновым методам относятся радиолокационный, радиоинтерференционный, эндовибраторный и резонансный.

Работа радиолокационных уровнемеров основывается на явлении отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами.

Скорость υ распространения электромагнитной волны в среде определяется значениями ее диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостей:

где с — скорость света в вакууме.

Схема уровнемера (рис. 21) состоит из излучателя 1, приемника 2 электромагнитной энергии и схемы 5 измерения интервала времени. Значение уровня h определяется посредством измерения временного интервала между моментом посылки сигнала излучателем 1 и приходом отраженного сигнала на приемник 2. Эта величины связаны соотношением

Обычно локация ведется через газовую среду над жидкостью (в принципе локация может осуществляться и через жидкость, если она неэлектропроводна). Локация через газ предпочтительнее, так как излучатели не подвергаются воздействию жидкости, кроме того, магнитные и диэлектрические проницаемости газов невелики и практически не зависят от изменения параметров и свойств газа. Это делает показания уровнемера практически не зависящими от свойств жидкости. Недостатком таких уровнемеров является трудность точного измерения малых интервалов времени. Кроме того, они очень чувствительны к нахождению в зове излучения посторонних предметов, например металлических стенок емкостей. Для устранения этого недостатка необходимо применять узконаправленное излучение с помощью рупорных антенн.

Рис. 21. Схема радиолокационного уровнемера

Существуют схемы радиолокационных уровнемеров, в которых локация осуществляется через стенку рабочей емкости. Применительно к металлургическому производству таким образом можно контролировать границу раздела шлак — металл либо осуществлять непрерывное измерение уровня (существующие приборы имеют диапазон измерения до 200 мм).

Схема такого прибора представлена на рис. 22. В качестве излучателя радиоволн, генерируемых генератором 1, используется рупор 2, высота раскрыва которого равна диапазону измерения. Изменение уровня среды по высоте рупора приводит к изменению прошедшей и отраженной высокочастотной энергии, вследствие чего изменяется сигнал на детекторе 3 и вторичном преобразователе 4. Для использования этого метода измерения в стенках емкости должны быть радиопрозрачные окна, в которые вставляются рупорные излучатели. При измерении уровня жидких металлов в объектах металлургии такие окна достаточно делать лишь в металлических стенках 5, так как используемые в настоящее время футеровочные материалы 6 радиопрозрачны.

В резонансных уровнемерах, резонансные колебания возбуждаются в отрезках длинной электрической линии. Этот отрезок длинной линии — первичный преобразователь — либо выполняется в виде отдельного конструктивного элемента, помешенного в резервуар, либо его роль могут выполнять конструктивные элементы технологической установки (например, при измерении уровня жидких металлов в металлургии).

Обычно первичный преобразователь представляет собой тонкостенную металлическую трубу с боковыми отверстиями и соосно расположенным в ней металлическим стержнем (рис. 23). Применение резонансных уровнемеров при измерении уровня проводящих жидкостей основывается на шунтировании элементов преобразователя, т. е. уровень эквивалентен подвижной перемычке между трубой и стержнем преобразователя. При изменении уровня изменяется длина линии, что ведет к изменению резонансной частоты преобразователя. Например, при заполнении преобразователя (рис. 23) уменьшается его длина и увеличивается резонансная частота. Эта зависимость является нелинейной.

Рис. 22. Схема радиолокационного уровнемера для контроля уровня жидких металлов

Рис. 23. Схема преобразователя резонансной уровнемера

Применительно к конкретным условиям работы могут использоваться преобразователи других конструкций. Например, для кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок большого сечения (не менее 250x550 мм) преобразователь подобен изображенному на рис. 23, но на конце его вместо металлического донышка закреплен виток проволочного проводника. Преобразователь закрепляется таким образом, чтобы виток находился над уровнем металла, при этом его индуктивность будет зависеть от уровня металла. Резонансная частота такой электрической линии с индуктивностью на конце зависит от этой индуктивности, т. е. от уровня металла. Такие уровнемеры жидких металлов имеют диапазон измерения до 200 мм, основная погрешность измерения ±2 %.

Для кристаллизаторов малого сечения (с максимальным поперечным размером сечения 150 мм) применение преобразователя с индуктивной нагрузкой неэффективно, так как при уменьшении размеров витка уменьшается диапазон измерения. Для таких кристаллизаторов разработан уровнемер (рис. 24), в котором система «металл промежуточного ковша 1 — струя металла 2 — металл кристаллизатора 3» рассматривается как измерительный отрезок длинной электрической линии, длина которого, а следовательно, и резонансная частота определяются уровнем металла в кристаллизаторе.

7

Рис. 24. Схема резонансного уровнемера для машин непрерывного литья.

Подвод энергии к колебательной системе может быть осуществлен, например, посредством металлического кольца 4, установленного между ковшом и кристаллизатором на одной оси со струей металла и подключенного к высокочастотному генератору 5.

Диапазон измерения такого уровнемера составляет 300 мм.